天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 譚長(zhǎng)森

0 概述

煤礦高壓長(zhǎng)輸供電線路、采空區(qū)等區(qū)域?yàn)槊旱V火災(zāi)的高發(fā)地域，一旦發(fā)生火災(zāi)其影響、損失將無(wú)法估量，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其內(nèi)部工作狀態(tài)從而預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，一般采用測(cè)量其溫度來(lái)間接判斷火災(zāi)是否有發(fā)生趨勢(shì)或已經(jīng)發(fā)生[1]。

鑒于傳統(tǒng)溫度測(cè)量存在的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的煤礦測(cè)溫系統(tǒng)，光纖測(cè)溫是基于拉曼散射中反斯托克斯光對(duì)溫度的敏感性，采用斯托克斯光作為溫度信號(hào)，用反斯托克斯光解調(diào)出溫度表達(dá)式，并根據(jù)光時(shí)域反射原理對(duì)溫度信號(hào)與空間位置對(duì)應(yīng)原理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整條光纜沿線溫度的測(cè)量，將測(cè)溫光纜沿采空區(qū)或者動(dòng)力供電線路敷設(shè)，就可以感知整個(gè)采空區(qū)線路或線路的溫度，從而為預(yù)測(cè)火災(zāi)的發(fā)生提供了重要依據(jù)。

1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)基本理論

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是基于將反斯托克斯光射入光纖中，光在傳輸時(shí)產(chǎn)生拉曼散射溫度效應(yīng)[2]，依據(jù)光時(shí)域反射理論來(lái)獲取定位信息和溫度分布信息的監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 光時(shí)域反射原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)空間各處的溫度進(jìn)行空間測(cè)量的理論基礎(chǔ)是光時(shí)域反射原理，其基本原理是通過(guò)分析光纖中背向散射光和菲涅爾反射光的方法，測(cè)量由于在光纖中散射或被分子吸收等原因產(chǎn)生的傳輸損耗和由于結(jié)構(gòu)缺陷而引起的結(jié)構(gòu)性損耗，在此系統(tǒng)中只考慮背向散射光而不需要考慮菲涅爾反射光。當(dāng)光纖某一點(diǎn)受到干擾，比如應(yīng)力作用或溫度的影響時(shí)，該點(diǎn)的散射特性會(huì)發(fā)生變化從而引起光纖上損耗信息發(fā)生變化，我們通過(guò)這種變化通過(guò)相應(yīng)的分析，能夠得出某個(gè)地點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值。

1.2 拉曼散射基本原理

拉曼散射為光在散射現(xiàn)象中部分散射光的光頻率與入射光頻率不同的物理效應(yīng)。當(dāng)一定頻率的激光照射到物質(zhì)表面時(shí)，造成散射的分子吸收(或釋放)能量發(fā)生不同方式和程度的振動(dòng)，然后散射出較低(高)頻率的光。在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，當(dāng)光波從一端發(fā)射進(jìn)入光纖中并向前傳播，光纖分子與光波作用發(fā)生瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，其中拉曼散射只受溫度的影響，而且相比較而言較為容易捕捉和解析。

拉曼散射溫度效應(yīng)：入射光與分子相互作用時(shí)，散射分子吸收了一部分能量由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷，此時(shí)散射出的是Stocks光；同時(shí)散射分子釋放出一部分能量使分子由低能態(tài)向低能態(tài)躍遷，此時(shí)散射出的是Anti-Stocks光。區(qū)別與Stock光，Anti-Stocks光的幅度強(qiáng)烈依賴于溫度。

在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，用反斯托克斯光產(chǎn)生Stocks散射光和Anti-Stocks散射光，測(cè)得Stocks光和Anti-Stocks光的光強(qiáng)后經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算，可得到整條光纜沿線各個(gè)點(diǎn)的溫度信息，即整體的溫度分布情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[3]

礦用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要有防爆測(cè)溫主機(jī)、阻燃感溫光纜及相關(guān)附件組成。

2.1 防爆測(cè)溫主機(jī)

防爆測(cè)溫主機(jī)主要由防爆殼、DTS400型測(cè)溫主機(jī)、電源模塊、信號(hào)隔離模塊、開(kāi)關(guān)量輸出隔離模塊、VGA信號(hào)隔離模塊等組成，其原理框圖如圖1。

1)DTS400型測(cè)溫主機(jī)：DTS400型光纖測(cè)溫主機(jī)主要由光波發(fā)射單元、光波接收單元、光波分復(fù)用單元、數(shù)字信號(hào)處理單元和標(biāo)校溫度處理單元組成，是分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的核心單元。

2)電源轉(zhuǎn)換模塊：煤礦井下供設(shè)備的電壓只有AC127V/660V，而光纖測(cè)溫主機(jī)的工作電壓為DC24V或者AC127V，所以需要有電源轉(zhuǎn)換模塊將井下電壓轉(zhuǎn)換為測(cè)溫主機(jī)能夠工作的電壓。

3)網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換/開(kāi)關(guān)量輸出隔離模塊：由于DTS400型測(cè)溫主機(jī)為非防爆產(chǎn)品，以太網(wǎng)接口、開(kāi)關(guān)量輸出模塊也為非防爆形式，煤礦井下信號(hào)連接通常采用本安型，因此需要將網(wǎng)絡(luò)接口和開(kāi)關(guān)量輸出通過(guò)隔離成本安接口對(duì)外輸出；開(kāi)關(guān)量輸出接口主要接各種形式的報(bào)警器或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)測(cè)溫光纜某點(diǎn)的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)閉合，則產(chǎn)生報(bào)警或者驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

圖1 防爆測(cè)溫主機(jī)硬件組成原理圖

2.2 阻燃感溫光纜

DTS測(cè)溫系統(tǒng)采用的感溫光纜是一種阻燃鎧裝光纜，由光纖、光纖膏、松套管、細(xì)鋼絲鋼帶及阻燃護(hù)套組,是一種中心束管式結(jié)構(gòu)的光纜。這種測(cè)溫具有光纜質(zhì)量輕、初性好等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)這種結(jié)構(gòu)對(duì)熱量阻隔效果較小，同時(shí)對(duì)溫度感應(yīng)性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短，在測(cè)溫工程中有比較好的工業(yè)效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[4]

DTS光纖測(cè)溫系統(tǒng)軟件主要為信號(hào)接收模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)輸出模塊組成：

1)信號(hào)接收模塊：信號(hào)接收模塊測(cè)溫光纖將入射光反射過(guò)來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入核心處理器；

2)信號(hào)處理模塊：信號(hào)處理模塊的主要作用是將信號(hào)接收模塊接收過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分類處理、進(jìn)行各類運(yùn)算；

3)信號(hào)輸出模塊：信號(hào)輸出模塊的作用為將信號(hào)處理模塊處理后的各類數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為各種輸出形式，比如處理為適合網(wǎng)絡(luò)接口輸出的信號(hào)形式，和預(yù)設(shè)的溫度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)限值進(jìn)行開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出等。

4 結(jié)語(yǔ)

基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的煤礦測(cè)溫系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)分點(diǎn)布置溫度傳感器測(cè)溫的缺點(diǎn)，具有安全可靠、故障率低、實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，可對(duì)煤礦采空區(qū)、主要高壓電纜等重要的場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)全線覆蓋，極大降低了火災(zāi)發(fā)生的概率，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了有力的保證。